Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ cho thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM VĂN TUYÊN

NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ CHO

THANG MÁY SỬ DỤNG PLC KẾT NỐI BIẾN TẦN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

THÁI NGUYÊN, 2014

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM VĂN TUYÊN

NGHIÊN CỨU HỆ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ CHO

THANG MÁY SỬ DỤNG PLC KẾT NỐI BIẾN TẦN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 60520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. NGUYỄN HIỀN TRUNG

THÁI NGUYÊN, 2015

i

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Văn Tuyên

Sinh ngày: 14 tháng 10 năm 1974

Học viên lớp cao học khóa K15 - Tự động hóa - Trƣờng Đại Học Kỹ Thuật Công

Nghiệp - Đại Học Thái Nguyên.

Hiện đang công tác tại: Trƣờng Cao đẳng nghề Việt – Đức Vĩnh phúc

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu nêu trong

luận văn là trung thực. Những kết luận khoa học của luận văn chƣa từng đƣợc ai công

bố trong bất kỳ công trình nào. Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn

gốc.

HỌC VIÊN

Phạm Văn Tuyên

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận đƣợc sự quan tâm rất lớn của

nhà trƣờng, các khoa, phòng ban chức năng, các thầy cô giáo và đồng nghiệp.

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Nguyễn Hiền Trung, trƣờng

Đại học Kỹ thuật Công nghiêp đã tận tình hƣớng dẫn trong quá trình thực hiện luận

văn.

Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở Trung tâm Thí nghiệm,

phòng thí nghiệm Khoa Điện tử – Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã giúp đỡ và

tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất.

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trƣờng Cao đẳng nghề Việt –

Đức Vĩnh phúc đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn.

Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể

luận văn còn những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp từ các

thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện và có ý nghĩa hơn

trong thực tế.

HỌC VIÊN

Phạm Văn Tuyên

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...............................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... ii

MỤC LỤC........................................................................................................................ iii

DANH MỤC HÌNH VẼ.....................................................................................................v

MỞ ĐẦU............................................................................................................................1

1. Lý do chọn đề tài ...................................................................................................................1

2. Mục đích nghiên cứu .............................................................................................................1

3. Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................................................1

4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài......................................................................2

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA VÀ CÁC

PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ.....................................................3

1.1. Tổng quan về động cơ KĐB 3 pha..................................................................................3

1.1.1. Khái niệm chung về động cơ KĐB........................................................................3

1.1.2. Cấu tạo động cơ KĐB............................................................................................5

1.1.3. Nguyên lý làm việc của động cơ KĐB 3 pha.........................................................7

1.2. Các phƣơng pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB.........................................................9

1.2.1 Thay đổi tần số nguồn điện cung cấp f1 ...............................................................10

1.2.2 Thay đổi số đôi cực ..............................................................................................12

1.2.3 Thay đổi điện áp nguồn cung cấp ........................................................................14

1.2.4 Thay đỗi điện trở mạch rôto.................................................................................14

1.2.5 Thay đổi điện áp mạch rôto..................................................................................15

1.3. Điều khiển véc tơ động cơ KĐB ...................................................................................17

1.4. Lựa chọn phƣơng pháp điều khiển động cơ KĐB cho hệ truyền động thang máy .......19

1.5. Kết luận chƣơng 1 .........................................................................................................19

CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH TOÁN HỌC VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU

KHIỂN VÉCTƠ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA ......................................................................21

2.1. Mô tả toán học động cơ KĐB ba pha ............................................................................21

2.2. Phép biến đổi tuyến tính không gian véc tơ ..................................................................23

2.3. Hệ phƣơng trình cơ bản của động cơ trong không gian véc tơ .....................................25

2.3.1. Phƣơng trình trạng thái tĩnh trên hệ toạ độ cố định ........................................26

2.3.2. Phƣơng trình trạng thái trên hệ toạ độ tựa theo từ thông rôto

dq

:.......................30

2.4. Cấu trúc hệ thống điều khiển véc tơ động cơ KĐB.......................................................34

2.5. Các phƣơng pháp điều khiển véc tơ ..............................................................................36

2.5.1. Điều khiển véc tơ gián tiếp ..................................................................................36

2.5.2. Điều khiển véc tơ trực tiếp theo từ thông rôto .....................................................37

2.6. Tổng hợp các bộ điều chỉnh ..........................................................................................43

2.6.1. Tổng hợp hệ theo hàm chuẩn ...............................................................................43

2.6.2. Tuyến tính hoá mô hình động cơ .........................................................................45

iv

2.6.3. Tổng hợp

sq

Ri

và

R ..........................................................................................46

2.6.4. Tổng hợp Risd .......................................................................................................49

2.7. Bộ quan sát từ thông......................................................................................................50

2.8. Kết luận chƣơng 2 .........................................................................................................57

CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTƠ ĐỘNG

CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ KHÔNG DÙNG CẢM BIẾN TỐC ĐỘ - MÔ PHỎNG TRÊN

MATLAB/SIMULINK ....................................................................................................58

3.1. Sơ đồ hệ thống điều khiển véc tơ không dùng cảm biến tốc độ....................................58

3.2. Đánh giá ổn định của khâu tính toán tốc độ ..................................................................61

3.3. Mô phỏng bộ điều khiển véc tơ trên Matlab/Simulink..................................................63

3.3.1. Tính toán các thông số động cơ ...........................................................................63

3.3.2. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng Risd .............................................................65

3.3.3. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh dòng

sq

Ri ...........................................................66

3.3.4. Thử nghiệm với bộ điều chỉnh tốc độ ..................................................................67

3.3.5. Mô phỏng mô hình hệ thống trên toạ độ

dq ........................................................69

3.3.6. Mô hình toàn bộ hệ thống không dùng cảm biến tốc độ......................................71

3.4. Kết luận chƣơng 3 .........................................................................................................80

CHƢƠNG 4: THỰC NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TRÊN MÔ HÌNH

THANG MÁY SỬ DỤNG PLC KẾT NỐI BIẾN TẦN..................................................81

4.1. Cấu tạo mô hình thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần điều khiển động cơ KĐB.....81

4.2. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển.............................................................................................82

4.3. Kết quả thực nghiệm.........................................................................................................83

4.4. Kết luận chƣơng 4.............................................................................................................84

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI.........................................................85

1. Kết luận................................................................................................................................85

2. Hƣớng phát triển..................................................................................................................85

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................86

PHỤ LỤC.........................................................................................................................87

v

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1. Động cơ KĐB 3 pha......................................................................................................3

Hình 1-2. Cấu tạo động cơ KĐB 3 pha .........................................................................................5

Hình 1-3. Lá thép stato và rôto: 1- Lá thép stato, 2- Rãnh, 3- Răng, 4- Lá thép rôto ...................6

Hình 1-4. Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB a) Khi mô men cản không đối, b)Khi mô men cản

thay đổi..........................................................................................................................................9

Hình 1-5. Đặc tính cơ khi điều chỉnh tần số theo nguyên lý: f1>f2>f3 ........................................12

Hình 1-6. Cách đổi nối cuộn dây: a) Mắc nối tiếp, số đôi cực là p. b) Mắc song song, số đôi cực

là p/2, c) Đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi số đôi cực .........................................................12

Hình 1-7. Đổi nối cuộn dây a) Y YY, b) ∆ YY...................................................................13

Hình 1-8. Đặc tính cơ của động cơ KĐB dây quấn khi thay đổi điện trở rôto............................15

Hình 1-9. Sơ đồ tƣơng đƣơng mạch rôto khi đƣa thêm sđđ vào: a)mạch thực, b)c) mạch tƣơng

đƣơng đƣa về tần số f1 .................................................................................................................17

Hình 1-10. Sự tƣơng tự giữa điều khiển động cơ một chiều và điều khiển véc tơ......................18

Hình 1-11. Điều khiển độc lập hai thành phần dòng điện: mô men và kích từ...........................18

Hình 1-12. Các đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của quãng đƣờng S, tốc độ v, gia tốc a và

độ giật theo thời gian................................................................................................................19

Hình 2-1. Tƣơng quan giữa hệ toạ độ và toạ độ ba pha

a b c , , .............................................23

Hình 2-2. Cuộn dây 3 pha nhìn trên ......................................................................................24

Hình 2-3. Chuyển sang hệ toạ độ quay bất kỳ.............................................................................24

Hình 2-4. Các đại lƣợng is , r của động cơ trên các hệ toạ độ ...................................................24

Hình 2-5. Mô hình động cơ trên hệ toạ độ cố định ................................................................28

Hình 2-6. Mô hình động cơ dạng ma trận ...................................................................................30

Hình 2-7. Mô hình động cơ dạng các phần tử ma trận................................................................30

Hình 2-8. Mô hình động cơ trên hệ toạ độ quay

dq ...................................................................32

Hình 2-9. Mô hình động cơ KĐB trên toạ độ

dq

theo dạng véc tơ ............................................34

Hình 2-10. Mô hình điều khiển động cơ một chiều. ...................................................................34

Hình 2-11. Tƣ tƣởng điều khiển động cơ KĐB...........................................................................34

Hình 2-12. Sơ đồ hệ thống điều chỉnh dòng điện và tốc độ của động cơ trên

dq ......................35

Hình 2-13. Đồ thị góc pha của phƣơng pháp điều khiển véc tơ gián tiếp...................................36

Hình 2-14. Sơ đồ tính toán góc quay từ trƣờng theo phƣơng pháp gián tiếp..............................37

Hình 2-15. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển véc tơ trực tiếp sử dụng cảm biến Hall đo

r

38

Hình 2-16. Hệ thống điều khiển sử dụng cảm biến Hall đo từ thông rôto ..................................40

Hình 2-17. Sơ đồ khối tính toán ..................................................................................................40

vi

Hình 2-18. Tính toán từ thông rôto theo mô hình động cơ trên ............................................41

Hình 2-19. Tính toán

r

theo mô hình quan sát..........................................................................42

Hình 2-20. Mô hình điều khiển véc tơ kiểu trực tiếp lấy s từ bộ quan sát ................................43

Hình 2-21. Cấu trúc tổng quát một hệ điều chỉnh .......................................................................43

Hình 2-22. Đặc tính quá độ của hệ thống....................................................................................44

Hình 2-23. Đặc tính tần của hàm truyền kín tối ƣu....................................................................44

Hình 2-24. Sơ đồ mô tả động cơ trên hệ toạ độ

dq

đã tuyến tính hoá quanh điểm làm việc .....46

Hình 2-25. Sơ đồ cấu trúc khi r = const....................................................................................47

Hình 2-26. Mô hình sau khi đã biến đổi......................................................................................47

Hình 2-27. Tổng hợp các mạch vòng dòng điện và tốc độ..........................................................48

Hình 2-28. Nhánh kích từ của mô hình động cơ trên hệ toạ độ

dq ............................................50

Hình 2-29. Biến đổi nhánh kích từ ..............................................................................................50

Hình 2-30. Mô hình tổng quát bộ quan sát từ thông rôto............................................................53

Hình 2-31. Mô hình dòng điện stato và từ thông rôto trong bộ quan sát ....................................53

Hình 3-1. Hệ thống điều khiển không sử dụng cảm biến tốc độ.................................................58

Hình 3-2. Mô hình hệ thống kông dùng cảm biến tốc độ ở dạng véc tơ. ....................................61

Hình 3-3. Cấu trúc khối tính tốc độ.............................................................................................61

Hình 3-4. Sơ đồ mô phỏng trong Simulink kiểm nghiệm bộ điều chỉnh dòng Risd ....................65

Hình 3-5. Đồ thị dòng

sd i

với giá trị cuối của hàm Step là 5......................................................66

Hình 3-6. Kiểm nghiệm bộ điều chỉnh

sq

Ri ................................................................................66

Hình 3-7. Đồ thị dòng

sq

i

với giá trị cuối của hàm step là 10......................................................67

Hình 3-8. Mô hình Simulink kiểm tra bộ điều chỉnh tốc độ

R ..................................................67

Hình 3-9. Dòng

sq

i

và tốc độ khi không tải.............................................................................68

Hình 3-10. Dòng

sq

i

và tốc độ khi có tải................................................................................68

Hình 3-11. Kiểm nghiệm các bộ điều chỉnh trên mô hình động cơ ............................................69

Hình 3-12. Mô hình động cơ trên toạ độ

dq ...............................................................................69

Hình 3-13. Đồ thị các dòng điện và tốc độ của động cơ với bộ điều chỉnh đã chọn khi không tải

.....................................................................................................................................................70

Hình 3-14. Đồ thị khi có tải.........................................................................................................70

Hình 3-15. Hệ thống điều khiển động cơ không dùng cảm biến tốc độ......................................71

Hình 3-16. Sơ đồ tổng quát khối tính các thông số is, r và .....................................................72

Hình 3-17. Sơ đồ khối của khâu quan sát....................................................................................72

Hình 3-18. Cách lập khối tính tích ma trận AX ..........................................................................73

Hình 3-19. Khối tính tích A12 r ..................................................................................................74

vii

Hình 3-20. Khối tính tích A22 r ..................................................................................................74

Hình 3-21. Khối tính tích Gis ......................................................................................................75

Hình 3-22. Tính các phần tử của ma trận G................................................................................75

Hình 3-23. Sơ đồ cấu trúc khối tính tốc độ .................................................................................76

Hình 3-24. Sơ đồ khối tính từ thông rôto ....................................................................................76

Hình 3-25. Mạch chuyển đổi

dq

và

dq ...............................................................77

Hình 3-26. Đồ thị so sánh tốc độ thực tế và tính toán khi không tải...........................................78

Hình 3-27. Đồ thị so sánh tốc độ thực tế và tính toán khi có tải .................................................78

Hình 3-28. Sai lệch dòng

s

i .......................................................................................................79

Hình 3-29. Sai lệch dòng

s

i .......................................................................................................79

Hình 4-1. Mô hình thang máy thực nghiệm ................................................................................81

Hình 4-2. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển thang máy sử dụng PLC - Biến tần điều khiển động cơ

nâng hạ ........................................................................................................................................82

1

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Trong sản xuất công nghiệp hiện đại, để nâng cao năng suất, hiệu suất sử dụng của

máy, nâng cao chất lƣợng sản phẩm và các phƣơng pháp tự động hóa dây chuyền sản

xuất thì hệ thống truyền động điện có điều chỉnh tốc độ là không thể thiếu. Trong đó

động cơ điện không đồng bộ (KĐB) chiếm tỉ lệ lớn trong công nghiệp, do nó có nhiều

ƣu điểm nổi bật nhƣ: giá thành thấp, dễ sử dụng, bảo quản đơn giản, chi phí vận hành

thấp…

Mặt khác, những năm gần đây do tốc độ đô thị hóa diễn ra nhanh chóng, đặc biệt

là tại các thành phố lớn với sự xuất hiện ngày càng nhiều các tòa nhà cao tầng để phục

vụ chỗ ở và chỗ làm việc của con ngƣời khiến nhu cầu sử dụng thang máy ngày càng trở

nên bức thiết, vì nó mang lại sự tiện lợi và vẻ sang trọng cho các tòa nhà cao tầng. Điều

đó cũng đặt ra cho các kỹ sƣ và nhà sản xuất thang máy ngày nay càng phải nâng cao,

cải tiến chất lƣợng hệ thống truyền động thang máy.

Với sự phát triển của lý thuyết điều khiển tự động cho phép xây dựng các bộ điều

khiển tốc độ động cơ với chất lƣợng cao. Các bộ điều khiển này có thể đƣợc thiết kế và

lập trình trên các bộ điều khiển nhƣ PLC kết nối biến tần điều khiển tốc độ động cơ.

Trên đây là lý do tác giả chọn đề tài: "Nghiên cứu hệ điều khiển tốc độ động cơ

cho thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần".

2. Mục đích nghiên cứu

Đề tài có mục đích nghiên cứu là: Thiết kế bộ điều khiển véc tơ để điều khiển tốc

độ động cơ KĐB 3 pha ứng dụng vào hệ thống thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần.

3. Đối tƣợng nghiên cứu

- Động cơ KĐB 3 pha.

- Nghiên cứu các phƣơng pháp điều khiển động cơ KĐB 3 pha.

- Nghiên cứu điều khiển véc tơ không cảm biến tốc độ động cơ KĐB 3 pha.

- Thực hiện mô phỏng bộ điều khiển véc tơ không cảm biến tốc độ động cơ KĐB 3

pha trên phần mềm Matlab/Simulink.

- Thực nghiệm trên mô hình thang máy tại phòng thí nghiệm trƣờng Đại học Kỹ

thuật Công nghiệp.

2

4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Đề tài nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển véc tơ không cảm biến

tốc độ động cơ KĐB 3 pha. Mô phỏng trên Matlab/Simulink và kiểm chứng trên mô

hình thực.

Ý nghĩa thực tiễn: Ứng dụng vào hệ thống thang máy sử dụng PLC kết nối biến tần

để nâng cao chất lƣợng nâng hạ trong hoạt động của thang máy.